三维地形大地电磁场的边界元模拟方法

提出了一种用边界元法计算大地电磁场三维地形影响的数值模拟方法.首先用矢量积分理论和电磁场边界条件, 将上半空间(空气)和下半空间(地下介质)两个区域电磁场边值问题变为仅对地形界面的两个矢量面积分方程, 其中一个计算磁场, 称磁场方程; 另一个计算电场, 称电场方程.然后将对地形界面的积分剖分为一系列的三角单元积分.在三角单元积分中, 假设单元中电磁场为水平均匀大地空间电磁场与地形影响的迭加, 并假设地形影响为常项, 这样既保证了计算精度又使得计算方法简便.通过分解和计算, 每一个矢量面积分方程分解为对应3个坐标方向的3个常量线性方程, 这些线性方程组成了对角占优的线性方程组, 可用SSOR方法求解.文中给出了2个三维地形上大地电磁视电阻率曲线的计算结果.      

大地电磁场三维地形影响的矢量有限元数值模拟

地形对大地电磁场的影响规律研究对于实际大地电磁测深反演解释具有重要的意义。基于矢量有限元法进行了大地电磁三维地形响应数值模拟。首先与二维地形模拟结果比较,验证了算法的正确性;接着,分别对1个山峰地形和1个山谷地形进行了模拟;最后,比较了二维模拟与三维模拟结果。结果表明：三维阻抗张量的Z_xy模式和Z_yx模式都会受到地形影响;用二维地形模拟结果去近似三维地形响应,二维TE模式与真实三维响应结果差别很大,TM模式接近真实三维响应结果;如采用二维反演处理带地形的三维MT数据,TM极化模式反演更为合理。     

三维边坡稳定性分析中的边界约束效应

边界约束条件是影响边坡强度折减有限元分析稳定性计算结果的一个重要因素。结合典型边坡算例计算给出了不同边界约束条件下的三维边坡稳定性安全系数及潜在滑动面,并进行了差异性的对比研究,最后结合存在软弱夹层与地下水的三维边坡开展了应用性研究。结果表明：边界约束条件对边坡稳定安全系数具有显著的影响。在全约束条件下安全系数最大,其次为半约束边界条件,自由边界条件下的稳定安全系数最小,全约束边界比自由边界条件下的安全系数提高大约30%。边界约束条件对边坡潜在滑动面有重要的影响。在土性参数完全相同的条件下,与全约束条件相比,半约束边界条件下的滑体体积更大,滑动面更深,滑出点位置从离坡脚不远处向坡脚变化的过程更加明显。自由边界条件下与二维计算结果较接近。     

大地电磁三维矢量有限元正演

采用广义变分原理,基于矢量基函数详细推导了大地电磁三维矢量有限元方程。为了提高计算精度和效率,应用直接法强加边界条件改善总体系数矩阵的条件数,同时使用SSOR(symmetric successive over relaxation)预处理的双共轭稳定梯度法求解复对称大型稀疏线性方程组。并利用国际标准模型与相关参考文献的结果进行了对比,验证了算法的准确性。对一个典型的三维低阻体模型进行正演,得到了不同测线的视电阻率和相位断面图,并与二维正演结果进行对比分析。结果表明:在x方向测线上,ρ_(yx)变化幅度较ρ_(xy)小,中心测线上的ρ_(yx)和ρ_(xy)响应均与二维TM模式条件下的响应特征相似。     

MT3D-通用的三维地下水污染物运移数值模型

定量研究污染物在地下水中的运移过程通常采用数值模拟方法。MT3D是一套基于有限差分方法的污染物运移模拟软件，近年来在国外水文地质和水环境模拟等领域的研究中已经得到较为广泛的认可。MT3D比较全面地考虑了污染物在地下水中的对流、弥散和化学反应等过程，可以灵活处理各种复杂的源汇项和边界条件，能够准确模拟承压、无压和越流含水层中的污染物运移过程。MT3D具有模块化的程序结构、灵活的求解方法以及全面的模拟功能，非常适合实际问题的研究，值得在国内推广使用。     

MT有限元模拟中截断边界的影响

利用有限元方法进行大地电磁正演数值模拟时,由于是在有限网格区域上的数值计算,模拟计算时的网格边界为截断边界,而有限元数值模拟时的大地电磁场边界条件需要在足够远处才能够满足,所以截断边界的存在可能会使大地电磁正演模拟的边界条件无法满足,致使对计算结果和计算精度产生影响。利用有限元二维正演程序,在网格边界处加载一维情况下的大地电磁场,然后固定研究区域的网格剖分,并对一维地电模型和二维地电模型在改变有限元网格边界大小的情况下进行计算。在对一维模型进行模拟计算时,截断边界对边界条件没有影响,边界条件自然满足。而对二维模型进行模拟计算时,截断边界的存在对计算结果有较大影响。利用趋肤深度作为有限元网格边界变化的量度,通过改变网格边界大小,对不同的二维地电模型进行计算比较,总结出适合大地电磁有限元正演模拟的参考网格边界。     

五极纵轴激电测深三维有限元正演模拟

本文研究了五极纵轴激电测深三维有限元正演模拟方法。首先,从三个点电流源总电位的边值问题出发,导出了异常电位的边值问题,证明了与异常电位的边值问题对应的变分问题。然后,基于三维连续电性介质模型,推导了有限元法求解变分问题的计算过程,编制了五极纵轴激电测深的三维模拟程序。最后,通过模拟水平层状介质模型的五极纵轴激电测深曲线,发现最大相对误差小于0.25%,耗费时间为18 s;从精度和效率的角度验证了算法和程序是正确的,为后续模拟复杂地电模型五极纵轴激电测深曲线、分析曲线异常特征规律以及开展反演工作奠定了基础。     

三维地电断面激发极化法有限元数值模拟

用有限单元法求解三维地电断面激发极化法正演模拟算法.首先给出了三维构造中点源电场异常电位的边值问题与变分问题, 简化无穷远边界上的边界条件以提高计算速度及计算精度.以此为基础计算视电阻率对模型电阻率的偏导数矩阵, 并进行三维地电断面激发极化法正演模拟, 与等效电阻率法相比节约了计算时间.对几例较典型的地电模型进行计算, 结果表明本方法是正确可行的.      

基于线框架模型的三维复杂地质体建模方法

提出了一种基于线框架模型的复杂地质体三维建模方法,在准确表达复杂地质体各要素空间几何形态与相互关系的基础上,实现地层交错情况下断层面、地层面模型及复杂地质体模型的准确快速构建.建模实践表明:基于线框架模型的复杂地质体三维建模方法是准确高效的,能适应常见复杂地质条件下三维复杂地质体模型的构建.     

一种基于物性数据的深部三维地质建模方法

地质采样信息不足是制约深部三维地质建模的重要因素, 深部物性探测数据由于其易于获取而能够有效形成可视化模型.结合这一特点, 在地质调查项目工作中探索出了一种基于物性探测数据的三维地质建模方法.它首先利用岩石样品物性测量实验数据提取出物性参数及其对应地质属性的映射关系, 然后将不同地球物理方法所获取到的物性数据进行综合建模并解释, 最后将解释后的可视化模型转换为地质三维模型.实践证明, 该方法能够针对性地解决项目中的一些深部地质三维建模问题.      

分块区域三维地质建模方法

区域三维地质建模是区域三维地质调查的关键。在大量反复实践的基础上,提出了分块三维地质建模方法,该方法的主要步骤为：以断裂、岩体边界和不整合等为边界,把复杂的三维地质建模区域分解为内部构造相对简单的建模块或建模地质单元;分别对各建模块进行地质地球物理综合研究,编制深部地质剖面,揭示深部地质结构;采用基于剖面的建模方法按照全区统一的坐标系统构建三维地质模型;在完成全区所有建模块三维地质模型构建之后,把各个建模块的三维地质模型集成在统一的三维空间框架下,形成全区的三维地质模型。该方法具有能够简化三维地质建模过程、易于修改完善模型、易于集成模型等优势,能够克服常规的基于剖面的三维地质建模方法中存在的问题,突破了大规模区域三维地质建模的瓶颈。在本溪-临江深部地质调查中的应用表明,采用该方法可以有效构建研究区的三维地质模型,并能充分表达复杂的地下深部地质结构,为开展复杂地区大规模区域三维地质建模提供了一个重要途径。     

复杂条件下3D电磁场有限元计算方法

从电磁场的Maxwell方程出发, 根据电磁场的边值问题及变分公式建立了有限元方程组.采用可以模拟较为复杂的空间地质构造和地形起伏的四面体单元离散计算区域; 单元中的插值函数选择了精度较高的十点双二次多项式; 并采用连续的双二次多项式插值函数来模拟计算区域内单元中电导率σ的空间变化.推导出了地下变电导率σ条件下计算三维电磁场的有限元单元方程的解析表达式; 采用伽辽金方法推导出了散度效正有限元方程组.根据所推导的公式, 编制了三维有限元的计算程序.数值计算结果表明, 上述公式推导正确, 为三维电磁场的数值计算提供了一条有效的新途径.      

工程岩体三维构模中钻孔数据处理方法

原始数据处理是工程岩体三维构模中存在的主要困难之一。从三维构模的角度,将工程岩体按几何特征抽象为4种结构单元类型。钻孔数据是描述工程岩体的重要原始数据,具有多尺度性。针对这个特点,提出钻孔数据纵向概化准则,解决工程岩体多尺度显示问题;根据地质学的地质数据解译方法,结合岩层层状分布的特点,提出层处理方法对钻孔数据进行概化处理,确定工程岩体所对应的结构单元类型,创建工程岩体结构单元三维构模数据,建立由钻孔数据所得到的工程岩体三维模型。     

基于改进三棱柱模型的复杂地质体3D建模方法

建模方法是三维地质模型及其可视化研究的核心内容。针对连续体终止、错断位移等复杂地质体3D地质建摸的需要，本文对现有的三棱柱数据模型进行了改进，构建了完整的数据结构及其初步的拓扑关系，提出了基于改进三棱柱模型的连续体和不连续体的建摸算法，使其在处理地层尖灭、断层等复杂地质问题时更为灵活、适应面更广。     

基于两种插值算法的三维地质建模对比

三维地质建模过程中,插值算法对模型准确性具有显著影响。为评价不同插值算法对三维建模准确性的影响,本文选取反距离权重插值法和自然邻域插值法开展对比研究。通过理论分析和案例研究,从统计学原理、插值误差和可视化效果等三方面进行了对比分析。结果表明：反距离权重插值法在建模中精度较高,适应面更广。与自然邻域插值法相比,反距离权重插值法更加适用于地层缺失严重的层位,能够更好地保留地层缺失的特征;同时,反距离权重插值法能够更好地处理断层构造,对于地层的错断起伏情况表现效果更好;反距离权重插值法在沉积地层中误差更小,与实际情况更接近。     

复杂地质条件下隧道填充性岩溶三维有限元分析

采用三维弹塑性有限元法,对某隧道DK278+628—+698段填充性岩溶软基加固后的效果进行了分析。分析过程中,采用Drucker-Prager模型及刚-柔接触模型,模拟了加固前后隧道填充性岩溶的应力、位移及应变情况,根据分析结果,对工程起到了很好的指导作用。     

隧道地震预报波场的有限元数值模拟

在勘探地球物理领域中,能快速、有效地数值模拟2D和3D的地震全波场,包括同时模拟P波、S波、面波多分量波场特征的软件并不是很多;但在结构力学领域中,已有多种成熟的多波多分量有限元数值模拟大型商用软件用于求解弹性本构方程,如ANSYS,PLAXIS等。从方程结构来看,弹性本构方程与完全弹性波动方程相比,只多一项对时间的一阶微分项--阻尼项。因此,调整合理的介质参数--Rayleigh系数,令阻尼项近似为0,弹性本构方程就蜕化为完全弹性波动方程。隧道地震波场是在岩体中传播,具有弹性参数较好、无常规地震勘探中覆盖层等低速带干扰等的优点,采用ANSYS软件对隧道地震波场进行数值模拟,研究了频散、阻尼与吸收边界等数值模拟的相关技术。针对介质吸收,比较了数值模拟中有无阻尼的时间记录和波场快照,对隧道地震预报来说,将阻尼系数设定为0是一种合理的假设;比较了实例中不同网格长度与频散的关系,当网格长度小于波长的1/π倍时,才能消除频散;通过由波方程的推导,引入了黏弹性边界条件,通过实例计算证明它可以有效地吸收边界反射;最后对隧道地震预报进行了实例计算,算例表明采用ANSYS软件可以有效地模拟隧道复杂地质条件下全波场的激发传播过程。     

越流含水层井群系统地下水流的边界元数值模拟

本文提出一种求解越流含水层井群系统的边界元方法。该法把抽水井井壁作为内边界,通过积分处理,不需要对井壁内边界进行剖分,通过推导求得水头H及其法向导数的边界积分方程,离散化后得到求解该积分方程的一组线性代数方程组、该法用于实例计算表明,计算精度较高。     

断层的三维可视化建模研究

断层的三维可视化建模是实现断层三维动态模拟的前提和基础。本文在探讨三维可视化建模的数据模型及剖面插值方法的基础上,提出将混合插值方法与B-Rep模型结合起来用于断层建模。基于GeoView三维可视化地学信息系统,将其应用于临清坳陷东部的三维构造-地层格架建模中,效果良好。     

离散单元法同拉格朗日元法及其在岩土力学中的应用

离散单元法是一种适合于节理岩体的数值分析方法，拉格朗日元法则特点适用于解决大变形的问题。本文叙述了离散单元法和拉格朗日元法的基本原理以及有关参数的选择问题。文中还举出两种方法在岩土力学中的应用范围。